Строение
Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место титан занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 147 pm — that is 0.147 nm, so about 3401 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Титан is liquid over a 1619 K window, from 1941 K to 3560 K.
История
Титан — настоящий супергерой среди металлов: он прочнее стали, но на 45% легче, полностью устойчив к коррозии и настолько биосовместим, что его можно имплантировать в человеческое тело. Этот серебристо-серый переходный металл назван в честь титанов из древнегреческой мифологии и действительно оправдывает своё легендарное имя. Открытый в 1791 году Уильямом Грегором в Англии, титан оставался в основном лабораторной диковинкой до 1940-х годов, когда произвёл революцию в авиации. Что делает титан по-настоящему необычным, так это его невероятное соотношение прочности и массы. Он вдвое прочнее алюминия, но всего на 60% тяжелее, и на 40% легче стали при такой же прочности. Благодаря этому титан становится идеальным материалом для областей, где важен каждый грамм, — например, для космических аппаратов, истребителей и гоночных автомобилей Формулы-1. Вот что действительно поражает: титан полностью не подвержен коррозии под воздействием морской воды, хлора и большинства кислот. Можно оставить титан погружённым в океан на века, и он выйдет из воды совершенно новым. Такая невероятная устойчивость объясняется ультратонким оксидным слоем, который мгновенно образуется на его поверхности и защищает металл от химического воздействия. У титана есть ещё одна суперспособность — полная биосовместимость. Иммунная система не воспринимает титан как чужеродное вещество, поэтому его можно навсегда имплантировать в тело без отторжения. Из титана изготавливают эндопротезы тазобедренных суставов, зубные импланты, корпуса кардиостимуляторов и даже искусственные сердца. Он буквально становится частью человека. Этот металл обладает и удивительными температурными свойствами. Он сохраняет прочность при чрезвычайно высоких температурах, поэтому идеально подходит для реактивных двигателей, работающих при температуре свыше 1 500°C. При этом при чрезвычайно низких температурах, близких к абсолютному нулю, он становится сверхпроводником.
История открытия титана охватывает любительский сбор минералов, профессиональную химию и промышленную металлургию, отражая трудности выделения чистых металлов из сложных руд.
Уильям Грегор (1761–1817), английский священнослужитель и любитель-минералог, открыл титан в 1791 году, анализируя чёрный магнитный песок из долины Маннакан в Корнуолле. Интерес к этому необычному песку привёл его к растворению образца в соляной кислоте; при обработке щёлочью жёлтый раствор дал белый осадок.
Грегор назвал своё открытие «менакканитом» в честь местности, однако его ограниченные аналитические возможности не позволили полностью охарактеризовать новый элемент. Его систематический подход продемонстрировал выдающуюся научную методологию для исследователя-любителя.
Мартин Генрих Клапрот (1743–1817), немецкий химик, независимо открыл тот же элемент в 1795 году при анализе минерала рутила из Венгрии. Более совершенные аналитические методы Клапрота позволили окончательно идентифицировать и охарактеризовать новый элемент.
Клапрот выбрал название «титан» в честь титанов из древнегреческой мифологии, отражая будущую прочность и мощь элемента. Его выбор оказался пророческим: титан действительно продемонстрировал титанические свойства в аэрокосмической отрасли и инженерном деле.
В 1797 году Клапрот проанализировал образцы менакканита Грегора и подтвердил, что они содержат тот же элемент, что и венгерский рутил. Это закрепило приоритет Грегора в открытии, тогда как название Клапрота стало общепринятым. Такое сотрудничество стало примером раннего научного взаимодействия и признания приоритета.
Мэттью А. Хантер впервые получил чистый металлический титан в 1910 году в Политехническом институте Ренсселера, восстановив тетрахлорид титана натрием в герметичной стальной бомбе при 700–800°C. В результате процесса Хантера было получено всего 0,63 g титана чистотой 99,9%, что продемонстрировало чрезвычайную сложность производства металлического титана.
Уильям Кролль произвёл революцию в производстве титана в 1940 году, разработав магниетермический метод восстановления, который сделал возможным промышленное производство титана. Процесс Кролля остаётся основным методом получения титановой губки, обеспечивая развитие аэрокосмической эры благодаря доступному высокочистому металлическому титану.
Применение
Титан совершает революцию в инженерном деле благодаря непревзойдённому соотношению прочности и массы, а также устойчивости к коррозии. Он позволяет самолётам летать выше, кораблям противостоять коррозии, а медицинским имплантам беспрепятственно соединяться с тканями человека. Этот металл «космической эры» превращает невозможное в повседневную реальность.
Пассажирские самолёты, такие как Boeing 787 и Airbus A350, используют титан для изготовления важнейших компонентов, включая шасси, крепления двигателей и силовые рамы. Прочность титана при 550°C позволяет реактивным двигателям работать при более высоких температурах, повышая топливную эффективность на 15–20%. Военные самолёты используют титан ещё шире: SR-71 Blackbird содержал 85% титана по массе, что позволяло ему длительно лететь со скоростью Маха 3,3.
Биосовместимость титана обусловлена взаимодействием его оксидного слоя с тканями человека, что способствует остеоинтеграции костных имплантов. Эндопротезы тазобедренных и коленных суставов изготавливают из сплава Ti-6Al-4V; они служат 20–30 лет без отторжения. Зубные импланты обеспечивают 95% успешных результатов благодаря способности титана непосредственно соединяться с челюстной костью, создавая постоянные зубные замены, естественные по ощущениям.
Исключительная коррозионная стойкость титана делает его незаменимым для оборудования химической переработки. Теплообменники на опреснительных установках, реакторные сосуды для производства лекарственных средств и трубопроводные системы в производстве хлора полагаются на способность титана выдерживать воздействие агрессивных химических веществ, которые разрушают нержавеющую сталь за несколько месяцев.
Военно-морские суда используют титан для гребных валов, обтекателей гидролокаторов и элементов корпуса, которым необходима устойчивость к солёной воде. Морские нефтяные платформы применяют титановые трубопроводы и конструкционные элементы, способные выдерживать десятилетия воздействия морской среды, сохраняя конструкционную прочность при экстремальных нагрузках.
Профессиональные клюшки для гольфа, велосипедные рамы и теннисные ракетки используют титан для получения оптимальных эксплуатационных характеристик. Титановая головка клюшки позволяет мячу развивать скорость свыше 180 миль/ч, оставаясь на 40% легче стальных аналогов, что обеспечивает более крупную зону оптимального удара и повышает точность.
Откуда он берётся
5650 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 93% of elements
Космическое происхождение титана связано с нуклеосинтезом альфа-процесса в массивных звёздах, где последовательные реакции захвата ядер гелия-4 превращают углерод и кислород в более тяжёлые элементы, включая титан-48 — самый распространённый изотоп титана. Для этих процессов звёздного синтеза требуются температуры свыше 100 миллионов K; они происходят только в ядрах звёзд, масса которых как минимум в восемь раз превышает массу нашего Солнца.
Земная кора содержит примерно 5 650 частей на миллион титана, что делает его 9-м по распространённости элементом, более распространённым, чем углерод, хлор или хром. Такая высокая распространённость отражает устойчивость титана и его сродство к кислороду, благодаря чему он концентрируется в породах земной коры в процессе планетарной дифференциации.
Ильменит (FeTiO₃) обеспечивает 92% мирового производства титана. Эти тяжёлые минеральные пески образуются в результате выветривания магматических пород, содержащих титан, а океанические течения концентрируют ильменит в прибрежных отложениях. Крупнейшие ресурсы находятся в бассейне Муррея в Австралии, на побережье Квазулу-Натал в Южной Африке и на пляжах Кералы в Индии.
Рутил (TiO₂) является самой высокосортной титановой рудой: он содержит 95% диоксида титана по сравнению с 45–65% в ильмените. Природный рутил образуется в результате метаморфических процессов и гидротермальных изменений, создавая характерные игольчатые кристаллы, ценные как в промышленности, так и в ювелирном деле.
Крупнейшие ресурсы титана сосредоточены в Австралии (28% мировых запасов), Южной Африке (22%), Канаде (17%) и Индии (11%). Норвежский рудник Телльнес представляет собой крупнейшее в мире единичное месторождение ильменита, сформировавшееся в результате магматических процессов, сконцентрировавших содержащие титан минералы в слоистых интрузиях.
При добыче тяжёлых минеральных песков титановые минералы извлекают из древних пляжных отложений с помощью сложных методов разделения. Винтовые сепараторы используют различия в плотности для отделения тяжёлых минералов, а магнитная и электростатическая сепарация выделяет отдельные титановые минералы среди других тяжёлых минералов, таких как циркон и гранат.
Обращение
Титан относится к самым безопасным промышленным металлам: он обладает минимальной токсичностью и исключительной биосовместимостью. Однако при переработке титана и предотвращении пожаров с участием титанового порошка важно соблюдать правила обращения.
Титан демонстрирует выдающуюся биосовместимость и не обладает известной биологической токсичностью. Медицинские импланты десятилетиями остаются в человеческом теле без неблагоприятных реакций, а частицы оксида титана вызывают минимальную воспалительную реакцию в лёгочной ткани. Благодаря такому исключительному профилю безопасности титан является предпочтительным материалом для постоянных медицинских устройств.
Титановый порошок представляет значительную опасность пожара и взрыва: он воспламеняется при 400°C на воздухе и горит интенсивным белым пламенем, достигающим 3 000°C. При механической обработке необходимо использовать обильное охлаждение, чтобы предотвратить воспламенение стружки, а при шлифовании требуется инертная атмосфера или влажная обработка для предотвращения горения.
Пожары титана: использовать огнетушители класса D (сухой песок, графитовый порошок); НИКОГДА не использовать воду для тушения горящего титана. Вдыхание пыли: выйти на свежий воздух; титан оказывает минимальное воздействие на дыхательную систему, но при сохраняющихся симптомах обратиться за медицинской помощью. Контакт с кожей или глазами: промыть водой; частицы титана обычно инертны, но могут вызвать механическое раздражение.
Титан оказывает минимальное воздействие на окружающую среду благодаря химической инертности и отсутствию биологической токсичности. Переработка имеет большое экономическое значение из-за высокой стоимости титана; отходы аэрокосмической промышленности отличаются высоким уровнем переработки благодаря операциям переплавки и повторной обработки.
Краткие ответы
Титан (symbol Ti) is element 22 on the periodic table, a переходный металл in period 4, group 4. As strong as steel, 45% lighter, and immune to seawater — the metal of implants, jets and deep submersibles. At room temperature it is a solid.
[Ar] 3d² 4s², giving 4 occupied shells holding 2, 8, 10, 2 electrons respectively.Титан melts at 1941 K (1667.9 °C) and boils at 3560 K (3286.9 °C).
The standard atomic weight of Титан is 47.867 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Титан has a density of 4.506 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of титан is about 4.5× heavier.
Титан has a Pauling electronegativity of 1.54. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Титан was discovered in 1791 by William Gregor. It is named after the Titans of Greek myth.
Титан makes up about 0.56% of the Earth's crust — common enough to be mined at scale.